JP5916869B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、虚像として画像を視認させる技術分野に関する。

従来から、虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイなどの表示装置が知られている。一般的に、ヘッドアップディスプレイでは、小型液晶ディスプレイなどの小さな画面（実像）を、拡大された虚像として運転者に視認させるために、コンバイナ（合成器）と呼ばれるハーフミラーを用いている。例えば、特許文献１及び２には、フレネル構造を利用したコンバイナが提案されている。

特許第４７７６６６９号公報 特開２０１１−１９１７１５号公報

ところで、一般的な凹面ハーフミラーをコンバイナとして用いた場合には、実像の位置が固定されると、コンバイナによって形成される虚像観察可能領域（以下では「アイボックス」と呼ぶ。）を運転者の頭部付近に形成するのに必要なコンバイナの設置角度が自動的に決まってしまう。例えば、運転者の正面に設置されたコンバイナに対して実像を構成する光を上方から入射させる場合、コンバイナの設置角度はフロントガラスの傾斜とは逆方向に傾くことになる。この場合、アイボックスは適切な位置（運転者の頭部付近）に形成されるが、コンバイナの存在感が大きく、運転者に圧迫感や違和感を与えてしまう場合がある。そこで、コンバイナをフロントガラスと同じ方向に傾斜させると、コンバイナに対する圧迫感や違和感はかなり軽減されるが、アイボックスが適切な位置に形成されなくなり（例えば運転者の腹部にアイボックスが形成される）、運転者は虚像を視認することができなくなってしまう。

ここで、上記した特許文献２に記載されたような、コンバイナの中心とは異なる位置にフレネルパターンの中心が配置されたコンバイナを用いた場合、入射光と反射光との成す角度を一定に保ったまま、コンバイナとの相対角度を変えることができると考えられる。したがって、そのようなコンバイナを用いることで、コンバイナをフロントガラスと同じ方向に傾斜させてもアイボックスを運転者の頭部付近に適切に形成できると考えられる。しかしながら、フレネル構造を適用したコンバイナは、その反射面が表面ではなく基板内に存在するため、コンバイナにおける基板内部の反射面で反射した光が全反射することでコンバイナの外部に出射されない場合がある。特許文献１及び２には、そのような不具合については考慮されていない。

本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、フレネル構造の光学素子を有するヘッドアップディスプレイにおいて、観察者に圧迫感や違和感を与えることなく、アイボックスを適切に形成することを課題とする。

請求項１に記載の発明では、表示像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置された光学素子とを備え、前記表示像を構成する光を前記光学素子で反射することで当該表示像を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイであって、前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって前記光源部からの光を反射し、前記ハーフミラーは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されており、前記ハーフミラーで反射した光が全反射することなく前記光学素子の外部へ出射されるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されていることを特徴とする。

一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。 コンバイナの設置角度とアイボックスの位置との関係を説明するための図を示す。 本実施例の基本概念を説明するための図を示す。 オフセットされたフレネル構造が適用されたコンバイナを用いることで不具合が解決できることを説明するための図を示す。 課題１を具体的に説明するための図を示す。 課題２を具体的に説明するための図を示す。 射出角を全反射角未満にするための入射角の条件を説明するための図を示す。 第１実施例に係るコンバイナの最適な配置例を説明するための図を示す。 第２実施例に係るコンバイナの最適な配置例を説明するための図を示す。

本発明の１つの観点では、表示像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置された光学素子とを備え、前記表示像を構成する光を前記光学素子で反射することで当該表示像を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイであって、前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって前記光源部からの光を反射し、前記ハーフミラーは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されており、前記ハーフミラーで反射した光が全反射することなく前記光学素子の外部へ出射されるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。

上記のヘッドアップディスプレイは、移動体に設置され、光源部から出射された表示像を構成する光を光学素子（例えばコンバイナ）で反射することで、当該表示像を虚像として視認させるために利用される。光学素子は、光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置される。また、光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって光源部からの光を反射する。ハーフミラーは、フレネル構造の元になる自由曲面の中心（例えば頂点）が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されている。ヘッドアップディスプレイでは、ハーフミラーで反射した光が、光学素子内部で全反射することなく光学素子の外部へ出射されるように、光源部と光学素子との相対位置が設定されている。言い換えると、ハーフミラーで反射した光が全反射することなく外部へ出射されるような入射角で、光源部からの光が光学素子に入射される。

上記のヘッドアップディスプレイによれば、ハーフミラーの中心に自由曲面の中心が位置しないフレネル構造が適用された光学素子を用いることで、光源部からの光が上方から入射される光学素子をフロントガラスと同じ方向に傾斜させても、観察者の頭部付近にアイボックスを適切に形成することができる。よって、観察者に圧迫感や違和感を与えることなく、アイボックスを適切な位置に形成することができる。また、上記のヘッドアップディスプレイによれば、ハーフミラーで反射した光が全反射することなく外部へ出射されるように光源部と光学素子との相対位置が設定されるため、ハーフミラーで反射した光を適切に出射させることができ、虚像の一部分が視認できないといった不具合を適切に回避することが可能となる。よって、光学素子の全面を有効に利用することが可能となる。

上記のヘッドアップディスプレイの一態様では、前記光源部からの光が前記光学素子に入射する入射角を「θ_ｉｎ」とし、前記光学素子において前記ハーフミラーの外側に設けられた基板の屈折率を「ｎ」とし、前記自由曲面の焦点距離を「ｆ」とし、前記光源部からの光が前記ハーフミラーに入射する位置と前記自由曲面の中心との距離を「ＯＦＳ」とすると、前記入射角θ_ｉｎが下式の条件を満たすように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。

θ_ｉｎ＞ｓｉｎ^−１［ｎ・ｓｉｎ｛２ｔａｎ^−１（ＯＦＳ／２ｆ）−ｓｉｎ^−１（１／ｎ）｝］
上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記ハーフミラーの外側に設けられた基板の透過率の変化量が所定値以下となるような、前記光源部からの光が前記光学素子に入射する入射角の範囲が用いられるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。

この態様では、基板の透過率の入射角依存性が少ない領域が用いられるように、光源部と光学素子との相対位置が設定されている。これにより、光学素子の面内での輝度変化（輝度むら）の発生を適切に抑制することができる。

上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記光源部は、Ｐ偏光を出射する。これにより、Ｓ偏光を用いる場合と比較して、基板の透過率（界面反射率）の入射角依存性を小さくすることができる。

上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記光源部は、光源から照射された光の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子を有し、当該射出瞳拡大素子からの光を前記光学素子に向けて出射する。ＬＣＤやＣＲＴを用いた場合には光が大きな角度で拡散するが、プロジェクタなどからの光を射出瞳拡大素子で広げる構成では、拡散角度を狭くコントロールすることを容易に実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

＜基本概念＞
まず、本実施例の内容を説明する前に、本実施例の基本概念について説明する。

図１は、一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。ヘッドアップディスプレイでは、表示すべき画面（実像ＲＩ）を形成し、実像ＲＩを構成する光をコンバイナ１０で反射させることで、実像ＲＩに対応する虚像ＶＩを運転者に視認させる。例えば、実像ＲＩは、小型液晶ディスプレイによって表示される画面や、プロジェクタによってスクリーンに形成される像（１つの例では射出瞳拡大素子（ＥＰＥ： Exit-Pupil Expander）によって形成される像）に相当する。なお、小型液晶ディスプレイや、プロジェクタ及びスクリーンは、本発明における「光源部」の一例に相当する。

昼間でも虚像ＶＩを明るく視認させるためには、実像ＲＩの発光輝度を上げれば良いが、消費電力やデバイス価格が増大するため、通常は光の利用効率を上げる手法が用いられている。光の利用効率を上げるために、一般的なヘッドアップディスプレイでは、実像ＲＩの発光角度を制限するとともに、コンバイナ１０で反射された光が観察者の頭部に集まるように、コンバイナ１０として凹面ハーフミラーを用い、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定している。図１において符号ＥＢで示す領域は、観察者の頭部付近に形成される虚像観察可能領域（アイボックス）である。

図２は、コンバイナ１０の設置角度と、コンバイナ１０によって形成されるアイボックスＥＢの位置との関係を説明するための図を示す。図１に示したような（凹面）ハーフミラーをコンバイナ１０として用いた場合には、実像ＲＩの位置が固定されると、アイボックスＥＢを運転者の頭部付近に形成するのに必要なコンバイナ１０の設置角度が自動的に決まってしまう。例えば、図２（ａ）のように、運転者の正面に設置されたコンバイナ１０に対して実像ＲＩを構成する光を上方から入射させる場合、コンバイナ１０の設置角度はフロントガラスの傾斜とは逆方向に傾くことになる。この場合、アイボックスＥＢ１は適切な位置（運転者の頭部付近）に形成されるが、コンバイナ１０の存在感が大きく、運転者に圧迫感や違和感を与えてしまう場合がある。そこで、図２（ｂ）のように、コンバイナ１０をフロントガラスと同じ方向に傾斜させると、コンバイナ１０に対する圧迫感や違和感はかなり軽減されるが、運転者の腹部にアイボックスＥＢ２が形成されるため、運転者は虚像ＶＩを視認することができなくなってしまう。

本実施例では、上記したような不具合を解決するべく、図１に示したような一般的なコンバイナ１０の替わりに、フレネル構造のハーフミラーを平板の内部に形成したコンバイナを利用する。ここで、フレネル構造を利用したコンバイナについては、例えば前述した特許文献１及び２に提案されている。特に特許文献２には、第１フレネルレンズが設けられた第１主面における当該第１フレネルレンズの光軸を、第１主面の外形の中心とは異なる位置に配置することで、第１主面の表面で反射された光と第２主面の表面で反射された光（表面反射光）との角度を変えることで、２重像（第１主面の表面で反射された光と第２主面の表面で反射された光とが重なることで生じる現象）の発生を抑制することが提案されている。

図３は、本実施例の基本概念を説明するための図を示している。図３は、３枚のコンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３（以下では、これらを区別しない場合には単に「コンバイナ１０ｘ」と呼ぶ。）の例を示しており、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のそれぞれについて正面図及び断面図（側面図）を示している。なお、正面図及び断面図は、概略的に示したイメージ図を示している。コンバイナ１０ｘは、図１に示したコンバイナ１０の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される（後述するコンバイナ１０ａ、１０ｂについても同様とする）。

コンバイナ１０ｘは、内部にフレネル構造のハーフミラーが形成されている。具体的には、コンバイナ１０ｘは、フレネル構造（フレネルパターン）の元になる仮想放物面Ｓ１の湾曲に応じた微小な反射面（ミラー面）Ｓ２が内部に複数形成されることで、ハーフミラーとして機能する。複数の反射面は、例えば仮想放物面Ｓ１を有するレンズを図３における垂直方向に等間隔で分割して配列したような形状を有する。例えば、コンバイナ１０ｘは、仮想放物面Ｓ１の湾曲に応じた凹凸が形成された、同じ屈折率を有する２つの部材（以下では適宜「基板」と呼ぶ。基板は言い換えるとカバー層である。）の間に、ある程度の透過性を有する反射薄膜を挟み込むことで作成される。コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３に対して光が垂直に入射した場合、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のそれぞれに入射した光は、全て、内部に形成された反射面Ｓ２によって仮想放物面Ｓ１の焦点Ｐ１の方向に反射される（矢印Ａｒ１１、Ａｒ１２、Ａｒ１３参照）。

なお、本明細書では、「フレネル構造」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用された構造を意味するものとする。つまり、「フレネル構造のハーフミラー」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用されたハーフミラーを意味するものとする。

ここで、コンバイナ１０ｘ１は、その中心（外形中心）に、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２（言い換えると仮想放物面Ｓ１の中心であり、以下同様とする。）が位置している。つまり、コンバイナ１０ｘ１は、ハーフミラーの面上における中心点Ｐ３ｘ１に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。そのため、コンバイナ１０ｘ１では、内部に形成された反射面Ｓ２の傾きが小さい。他方で、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、その中心（外形中心）に、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２が位置していない。つまり、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、ハーフミラーの面上における中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３から外れた場所に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。言い換えると、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、フレネルパターンの中心から外れた領域が適用されている。そのため、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３では、内部に形成された反射面Ｓ２の傾きが大きい（つまり反射面Ｓ２が立っている）。

以下では、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３のように、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３から外れた場所に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１をフレネル構造に適用することを、適宜「オフセット」と呼ぶ。また、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２からのオフセットの量を「オフセット量」と呼ぶ。１つの例では、「オフセット量」は、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２がハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３からずらされている量（言い換えると頂点Ｐ２と中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３との距離）で表される。図３に示す例では、コンバイナ１０ｘ２は、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２からオフセット量ＯＦＳｘ２だけ頂点Ｐ２がずらされた仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されており、コンバイナ１０ｘ３は、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ３からオフセット量ＯＦＳｘ３だけ頂点Ｐ２がずらされた仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。

このようにオフセットが適用されたコンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３を用いることで、図３中の矢印Ａｒ１２、Ａｒ１３に示すように、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３のハーフミラーにおける入射光と反射光との成す角度を変えることができる。一方で、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３における表面反射光（基板の表面で反射した光）の角度は変わらないため、上記したような２重像を回避することができるのである。また、図３中の矢印Ａｒ２１、Ａｒ２２、Ａｒ２３に示すように、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のハーフミラーにおける入射光と反射光との成す角度を一定に保ったまま、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３との相対角度を変えることが可能となる。

なお、フレネル構造の元になる面として放物面を用いることに限定はされない。作り易さの観点から球面形状を用いても良いし、収差を補正するために非球面形状を用いても良い。つまり、種々の自由曲面（例えば焦点が規定されるような曲面）をフレネル構造の元になる面として適用することができる。好適な１つの例では、反射面を覆う基板（カバー層）を加味したハーフミラーの特性が放物面に従ったものであるように（つまり、コンバイナに垂直に光を入射させた場合に、反射面で反射して基板を透過して出射された光が放物面の焦点に向かうように）、フレネル構造の元になる面として非放物面を適用することができる。

図４は、上記したようなオフセットされたフレネル構造が適用されたコンバイナを用いることで、フロントガラスと同じ方向にコンバイナを傾斜させてもアイボックスＥＢを運転者の頭部付近に適切に形成できることについて説明する。図４は、図３に示したコンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３を時計回りに９０°させた後に、反射光の角度が水平になるように回転させた状態で車両内に設置した状態を示している。図４より、例えばコンバイナ１０ｘ３（オフセット量が比較的大きなフレネル構造を適用したもの）を用いた場合、コンバイナ１０ｘ３をフロントガラスと概ね同じ方向に傾斜させても、アイボックスＥＢを運転者の頭部付近に適切に形成できることがわかる。つまり、図２（ｂ）に示したような不具合（フロントガラスと同じ方向に傾斜させたコンバイナ１０では天井付近に設置した実像ＲＩのアイボックスＥＢ２が腹部に形成されてしまうといった不具合）を解決することができると言える。

ここで、上記したようなフレネル構造を適用したコンバイナ１０ｘは、図１に示したような一般的なコンバイナ１０と異なり、その反射面Ｓ２が表面ではなく基板内に存在するため、いくつかの課題（課題１及び２）が発生し得る。課題１は、コンバイナ１０ｘにおける基板内部の反射面Ｓ２で反射した光が全反射することで基板（カバー層）から出射されない場合がある、といった課題である。課題２は、コンバイナ１０ｘの上部と下部とで観察者に到達する光量が変わってしまう、といった課題である。このような課題１及び２について、図５及び図６を参照して具体的に説明する。

図５は、課題１を具体的に説明するための図を示す。図５（ａ）及び（ｂ）は、コンバイナ１０ｘにおける基板内部の反射面Ｓ２で反射した光について例示している（図示のように、反射面Ｓ２で反射した光は、基板へ入射するときの角度と異なるものとなる）。図５（ａ）は、オフセット量が比較的小さいフレネル構造を適用した場合について示している。この場合には、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光は、基板内部から外部へと出射される。他方で、図５（ｂ）は、オフセット量が比較的大きいフレネル構造を適用した場合について示している。この場合には、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光は、基板表面における内側の面で全反射することで、基板内部から外部へと出射されない（基板内部を導波する）。図５（ａ）及び（ｂ）より、オフセット量が比較的大きいフレネル構造を適用した場合に、課題１が生じ易いと言える。

図６は、課題２を具体的に説明するための図を示す。図６（ａ）は、コンバイナ１０ｘをフロントガラスと同じ方向に傾斜させた状態で、実像ＲＩをその上部に設置した場合について示している。この場合、実像ＲＩからの光はコンバイナ１０ｘに対して深い角度で入射する。また、コンバイナ１０ｘの下部に光が入射する入射角θ_１は、コンバイナ１０ｘの上部に光が入射する入射角θ_２よりも大きくなる（θ_１＞θ_２）。

図６（ｂ）は、入射角［°］と、コンバイナ１０における「入射時透過率×出射時透過率」［％］との関係を示している。「入射時透過率×出射時透過率」は、コンバイナ１０ｘから出射された光の光量（つまり観察者に到達する光量）に相当する。図６（ｂ）において、符号ＧＲｐはＰ偏光を用いた場合のグラフを示し、符号ＧＲｓはＳ偏光を用いた場合のグラフを示している。このようなグラフＧＲｐ、ＧＲｓは、基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり、仮想放物面Ｓ１の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であるコンバイナ１０ｘを用い、オフセット量が２５０［ｍｍ］である位置に光を入射させた場合に得られた結果である（反射面Ｓ２の反射率を１００％と仮定している）。

図６（ｂ）より、コンバイナ１０ｘへの入射角に応じて、「入射時透過率×出射時透過率」の値が変化していることがわかる。具体的には、入射角が大きい領域では、「入射時透過率×出射時透過率」の値が大きく低下していることがわかる。また、Ｓ偏光では、Ｐ偏光よりも、「入射時透過率×出射時透過率」の値の大きさが全体的に小さく、「入射時透過率×出射時透過率」の値が低下し始める入射角が小さいことがわかる。なお、入射角が概ね１０［°］以下の領域で「入射時透過率×出射時透過率」の値が０［％］となっているのは、全反射が生じたためである。

図６（ａ）及び（ｂ）より、コンバイナ１０ｘをフロントガラスと同じ方向に傾斜させると共に実像ＲＩをコンバイナ１０ｘの上部に設置した場合には、入射角θ_１及びθ_２が比較的大きくなると共に、入射角θ_１と入射角θ_２との差も大きくなるため、コンバイナ１０ｘの上部と下部とで「入射時透過率×出射時透過率」の値に差が生じる傾向にあると言える。つまり、コンバイナ１０ｘの上部と下部とで観察者に到達する光量が変わる傾向にあると言える。即ち、課題２が生じ易いと言える。

以下では、課題１、２を解決可能な具体的な実施例（第１及び第２実施例）について説明する。第１実施例は、課題１の解決を主目的としたものであり、第２実施例は、課題２の解決を主目的としたものである。

＜第１実施例＞
第１実施例では、フレネル構造を適用したコンバイナ内の反射面で反射した光が、全反射することなくコンバイナの外部へと適切に出射されるように、コンバイナと実像ＲＩ（実質的には光源部である。以下同様とする。）との相対位置を設定する。つまり、第１実施例では、コンバイナにおける基板内部の反射面で反射した光が基板表面の内側の面に入射する角度（以下では適宜「射出角」と呼ぶ。）が全反射角未満となるように、コンバイナと実像ＲＩとの相対位置を設定する。

図７を参照して、射出角を全反射角未満にするための入射角の条件について説明する。図７は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの断面イメージ図を示している。図７に示すように、入射光は、入射角θ_ｉｎでコンバイナ１０ａに入射し、屈折率ｎの基板で屈折して角度θ_ｉｎ’となる。この場合、スネルの法則より、「ｓｉｎθ_ｉｎ＝ｎ・ｓｉｎθ_ｉｎ’」といった式が成り立つ。そして、この入射光は、コンバイナ１０ａ内部のフレネル構造の反射面Ｓ２上の点Ｐ１０に入射する。点Ｐ１０は、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２からｘ方向において「ＯＦＳ」だけ離れた場所に位置する（「ＯＦＳ」はオフセット量に相当する）。仮想放物面Ｓ１は、焦点距離ｆを用いると「ｙ＝ｘ^２／４ｆ」と表される。

ここで、点Ｐ１０を通る、ｘ軸に平行な直線と、点Ｐ１０での仮想放物面Ｓ１の接線とが成す角度φは、「φ＝ｔａｎ^−１（ＯＦＳ／２ｆ）」となる。このような角度φを用いると、角度θ_ｉｎ’の入射光が反射面Ｓ２に入射する角度βは、「β＝φ−θ_ｉｎ’」となる。そして、反射面Ｓ２上の点Ｐ１０で反射した光は、基板表面の内側の面Ｓ３に対して角度「θ_ｉｎ’＋２β」で入射する。この角度「θ_ｉｎ’＋２β」は、上記した射出角に相当する。射出角を全反射角「ｓｉｎ^−１（１／ｎ）」未満とするための条件は、以下の式（１）で表される。

θ_ｉｎ’＋２β＜ｓｉｎ^−１（１／ｎ） 式（１）
また、射出角は、以下の式（２）のように書き換えられる。

θ_ｉｎ’＋２β＝２φ−θ_ｉｎ’
＝２ｔａｎ^−１（ＯＦＳ／２ｆ）−ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ_ｉｎ／ｎ） 式（２）
このような式（２）を式（１）に代入することで、射出角を全反射角未満とするために入射角θ_ｉｎが満たすべき条件が得られる。その条件は、以下の式（３）で表される。

θ_ｉｎ＞ｓｉｎ^−１［ｎ・ｓｉｎ｛２ｔａｎ^−１（ＯＦＳ／２ｆ）−ｓｉｎ^−１（１／ｎ）｝］ 式（３）
式（３）に示すように、入射角θ_ｉｎが満たすべき条件は、屈折率ｎと、オフセット量ＯＦＳと、焦点距離ｆとで表される。

第１実施例では、式（３）の条件を満たす入射角θ_ｉｎが実現されるように、コンバイナ１０ａと実像ＲＩとの相対位置を設定する。つまり、実像ＲＩを構成する光が、式（３）の条件を満たす入射角θ_ｉｎにてコンバイナ１０ａに入射するように、コンバイナ１０ａと実像ＲＩとの相対位置を設定する。これにより、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光を適切に外部に出射させることができ、虚像の一部分が視認できないといった不具合を適切に回避することが可能となる。よって、コンバイナ１０ａの全面を有効に利用することが可能となる。

図８は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの最適な配置例を説明するための図を示す。図８（ａ）は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの正面イメージ図を示している。なお、第１実施例に係るコンバイナ１０ａは、前述したコンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３と基本的な構成は同じである。つまり、第１実施例に係るコンバイナ１０ａは、オフセットされたフレネル構造が適用されたハーフミラーが内部に形成されている。

ここでは、基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であり、縦方向のサイズが１５０［ｍｍ］であるコンバイナ１０ａを用いた場合を例に挙げる。このコンバイナ１０ａでは、上端部ではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点とコンバイナ１０ａの上端部との距離）が２００［ｍｍ］であり、下端部ではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点とコンバイナ１０ａの下端部との距離）が３５０［ｍｍ］であるものとする。また、実像ＲＩ（表示画面）の縦方向のサイズが５０［ｍｍ］であり、実像ＲＩとコンバイナ１０ａとの距離が１８０［ｍｍ］であり、コンバイナ１０ａを２０°の傾斜角度でフロントガラス側に設置した場合を例に挙げる。

図８（ｂ）は、コンバイナ１０ａの第１配置例を示しており、図８（ｃ）は、コンバイナ１０ａの第２配置例を示している。図８（ｂ）及び（ｃ）は、コンバイナ１０ａ及び実像ＲＩの側面イメージ図を示している。第１配置例では、コンバイナ１０ａの上端部に光が入射する入射角は−３．３［°］であり、コンバイナ１０ａの下端部に光が入射する入射角は＋２６［°］である。第２配置例では、コンバイナ１０ａの上端部に光が入射する入射角は＋６［°］であり、コンバイナ１０ａの下端部に光が入射する入射角は＋３４．２［°］である。

図８（ｄ）は、横軸にオフセット量［ｍｍ］を示し、縦軸に入射角［°］を示し、上記した式（３）の条件を満たす領域を塗りつぶして表している。式（３）には、図８（ａ）の説明で述べたパラメータ（ｎ、ｆ）を代入したものとする。図８（ｄ）によれば、式（３）の条件を満たすためには、コンバイナ１０ａの上端部（オフセット量＝２００［ｍｍ］）では入射角が−３．３［°］以上である必要があり、コンバイナ１０ａの下端部（オフセット量＝３５０［ｍｍ］）では入射角が＋３４．２［°］以上である必要があることがわかる。

第１配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ａの上端部では入射角が−３．３［°］であるため、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光はぎりぎり外部に出射されるが、コンバイナ１０ａの下端部では入射角が＋２６［°］であるため（つまり＋３４．２［°］未満であるため）、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光は全反射することで外部へ出射されない。他方で、第２配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ａの上端部では入射角が＋６［°］であるため（つまり−３．３［°］以上であるため）、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光は外部に出射され、コンバイナ１０ａの下端部では入射角が＋３４．２［°］であるため、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光はぎりぎり外部に出射される。したがって、コンバイナ１０ａの位置に対する実像ＲＩの位置を第２配置例よりも上方にすると、式（３）の条件が適切に満たされるため、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光が適切に出射されることとなる。したがって、コンバイナ１０ａの全面を有効に利用することが可能となる。

＜第２実施例＞
次に、第２実施例について説明する。第２実施例は、課題２の解決を主目的としたものである。具体的には、第２実施例では、コンバイナ内の基板の透過率の変化量が所定値（適合などにより予め定められる値）以下となるような入射角の範囲が用いられるように、コンバイナと実像ＲＩとの相対位置を設定する。つまり、第２実施例では、基板の透過率の入射角依存性が少ない領域が用いられるように、コンバイナと実像ＲＩとの相対位置を設定する。このような第２実施例によれば、コンバイナの面内での輝度変化（輝度むら）の発生を適切に抑制することが可能となる。

図９は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂの最適な配置例を説明するための図を示す。図９（ａ）は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂの正面イメージ図を示している。なお、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂも、前述したコンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３と基本的な構成は同じである。つまり、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂは、オフセットされたフレネル構造が適用されたハーフミラーが内部に形成されている。

ここでは、基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であり、縦方向のサイズが１００［ｍｍ］であるコンバイナ１０ｂを用いた場合を例に挙げる。このコンバイナ１０ｂでは、上端に位置する点Ａではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Ａとの距離）が１５０［ｍｍ］であり、中央に位置する点Ｂではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Ｂとの距離）が２００［ｍｍ］であり、下端に位置する点Ｃではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Ｃとの距離）が２５０［ｍｍ］であるものとする。また、実像ＲＩ（表示画面）の縦方向のサイズが３６［ｍｍ］であり、実像ＲＩとコンバイナ１０ｂとの距離が１８０［ｍｍ］である場合を例に挙げる。

図９（ｂ）は、コンバイナ１０ｂの第１配置例を示しており、図９（ｃ）は、コンバイナ１０ｂの第２配置例を示しており、図９（ｄ）は、コンバイナ１０ｂの第３配置例を示している。図９（ｂ）〜（ｄ）は、コンバイナ１０ｂ及び実像ＲＩの側面イメージ図を示している。第１配置例では、コンバイナ１０ｂの点Ａでの入射角は−１０［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｂでの入射角は０［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｃでの入射角は＋１０［°］である。第２配置例では、コンバイナ１０ｂの点Ａでの入射角は＋１９［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｂでの入射角は＋３０［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｃでの入射角は＋３７［°］である。第３配置例では、コンバイナ１０ｂの点Ａでの入射角は＋５２［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｂでの入射角は＋６０［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｃでの入射角は＋６４［°］である。

図９（ｅ）は、基板への入射角［°］と基板の透過率（基板内を往復する光についての透過率を意味するものとする。）との関係を示した図である。図９（ｅ）において、グラフＧＲ１はコンバイナ１０ｂの点Ａに入射する光についての基板の透過率を示しており、グラフＧＲ２はコンバイナ１０ｂの点Ｂに入射する光についての基板の透過率を示しており、グラフＧＲ３はコンバイナ１０ｂの点Ｃに入射する光についての基板の透過率を示している。グラフＧＲ１〜ＧＲ３は、既知の界面反射率（フレネル反射率）の計算式に基づいて求められる。また、グラフＧＲ１〜ＧＲ３は、コンバイナ１０ｂにＳ偏光を入射させた場合を仮定している。

第１配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの点Ａ、Ｂ、Ｃでの入射角をグラフＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３上にそれぞれプロットすると点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１が得られ、これらの点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１をつなげると破線Ｄ１が得られる。破線Ｄ１より、第１配置例を適用した場合には、入射角に対する透過率の変化量が大きいことがわかる。したがって、第１配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの面内での輝度変化（輝度むら）が大きくなると言える。そのため、第２実施例では、このような第１配置例を採用しない。

第２配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの点Ａ、Ｂ、Ｃでの入射角をグラフＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３上にそれぞれプロットすると点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２が得られ、これらの点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２をつなげると破線Ｄ２が得られる。破線Ｄ２より、第２配置例を適用した場合には、入射角に対する透過率の変化量が小さいことがわかる。したがって、第２配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの面内での輝度変化（輝度むら）がほとんど生じないと言える。そのため、第２実施例では、このような第２配置例を採用することとする。

第３配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの点Ａ、Ｂ、Ｃでの入射角をグラフＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３上にそれぞれプロットすると点Ａ３、Ｂ３、Ｃ３が得られ、これらの点Ａ３、Ｂ２、Ｃ３をつなげると破線Ｄ３が得られる。破線Ｄ３より、第３配置例を適用した場合には、第１配置例を適用した場合よりも透過率の変化量が小さいが、第２配置例を適用した場合よりも透過率の変化量が大きいことがわかる。また、破線Ｄ３の右側の領域では、透過率の変化量が大きくなることがわかる。したがって、第３配置例を適用した場合には、第３配置例における設置角度からコンバイナ１０ｂを少し傾けるだけで急激な明るさの変化が生じてしまうと言える。そのため、第２実施例では、このような第３配置例を採用しない。

なお、図９では、コンバイナ１０ｂに入射させる光としてＳ偏光を用いる場合を例示したが、Ｓ偏光の代わりにＰ偏光を用いても良い。図６（ｂ）に示したように、Ｐ偏光はＳ偏光よりも界面反射率（透過率）の入射角依存性が小さいため、Ｓ偏光よりもＰ偏光を用いることが好ましいと言える。

なお、上記では、第２実施例は課題２の解決を主目的としたものであると述べたが、第２実施例によれば課題１も解決される。課題２が解決されれば、必然的に課題１も解決されるからである。

本発明は、ヘッドアップディスプレイなどの表示装置に利用することができる。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｘ コンバイナ
Ｐ１ 焦点
Ｐ２ 頂点
Ｓ１ 仮想放物面
Ｓ２ 反射面
ＲＩ 実像
ＶＩ 虚像

Claims (5)

1. 表示像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置された光学素子とを備え、前記表示像を構成する光を前記光学素子で反射することで当該表示像を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイであって、
   前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって前記光源部からの光を反射し、
   前記ハーフミラーは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されており、
   前記ハーフミラーで反射した光が全反射することなく前記光学素子の外部へ出射されるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
2. 前記光源部からの光が前記光学素子に入射する入射角を「θ_ｉｎ」とし、前記光学素子において前記ハーフミラーの外側に設けられた基板の屈折率を「ｎ」とし、前記自由曲面の焦点距離を「ｆ」とし、前記光源部からの光が前記ハーフミラーに入射する位置と前記自由曲面の中心との距離を「ＯＦＳ」とすると、
   前記入射角θ_ｉｎが下式の条件を満たすように、
   θ_ｉｎ＞ｓｉｎ^−１［ｎ・ｓｉｎ｛２ｔａｎ^−１（ＯＦＳ／２ｆ）−ｓｉｎ^−１（１／ｎ）｝］
   前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記ハーフミラーの外側に設けられた基板の透過率の変化量が所定値以下となるような、前記光源部からの光が前記光学素子に入射する入射角の範囲が用いられるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記光源部は、Ｐ偏光を出射することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記光源部は、光源から照射された光の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子を有し、当該射出瞳拡大素子からの光を前記光学素子に向けて出射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。

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